內外管壁厚對雙金屬復合管成型效率的影響

武國營，沈理旭，羅 衡

（中海油能源發展湛江安全環保公司，湛江 524057）

內外管壁厚對雙金屬復合管成型效率的影響

武國營，沈理旭，羅 衡

（中海油能源發展湛江安全環保公司，湛江 524057）

針對目前雙金屬復合管成型效率低的難題，基于彈塑性力學理論，利用有限元分析了內管和外管的壁厚對雙金屬復合管成型的影響。分析得到，內管和外管的壁厚越大，雙金屬復合管在塑性復合成型后，內管的殘余接觸壓力也越大。研究結果表明，應在合理的范圍選擇壁厚較大的內管和外管進行加工，為雙金屬復合管的選材提供了科學依據，對提高雙金屬復合管成型質量具有理論意義。

雙金屬復合管；成型；壁厚；脹管壓力；殘余應力

0 引言

在石油行業，使用管道的場所非常眾多，隨著石油工業以及其他機械行業的飛速發展，對管道性能的要求也在逐漸提高，單一性能的管道，如高強度管道或耐高溫管道等已無法滿足現代工業的要求，現代化的產業更加需求同時具備多種特性的管道，以一種性能的金屬材料為基體、另一種性能的金屬材料為增強體成型而制得的雙金屬復合管便投入了使用行業的使用中，并且快速成為了石油行業一種重要的管道，它的成型有塑性和非塑性兩種方法，而塑性成型則是最普遍的方法，雙金屬復合管塑性成型技術一般有兩種，機械脹接技術和柔性脹接技術[1～3]。成型的質量直接影響著雙金屬復合管的使用性能，因此對雙金屬復合管成型質量提高的研究顯得至關重要。

近年來，國內外有許多學者已經在進行雙金屬復合管的研究。上個世紀，Krips等假設內外管是理想彈塑性材料，材料的理論屈服強度與實際屈服強度一致，換熱管與管板二者彈性模量相同，分析了換熱管與管板的脹接全過程，最早得到了殘余接觸壓力的解析解[4]；日本的竹本昌史假設管材為理想彈塑性材料，并采用Tresca屈服準則推導出脹管過程中脹管壓力pi與接觸壓力pc的關系[5]；1998年，我國的顏惠庚根據換熱管材料無應變強化的假設，即假設換熱管為理想彈塑性材料，屈服強度與原材料的屈服強度一致，推導出了殘余接觸壓力prc的計算公式[6]。但是，研究影響成型質量影響參數的文獻比較少見，而內外管得壁厚是一個影響雙金屬復合管成型效率的關鍵參數，因此研究壁厚對成型的影響規律是一個亟待解決的課題，本文通過詳細分析了內管和外管壁厚對雙金屬復合管成型殘余應力的影響規律，結論可運用于提高雙金屬復合管的成型效率。

1 雙金屬復合管成型過程力學分析與建模

將雙金屬復合管的成型過程簡化為平面應變問題進行分析，建立如圖1所示的力學分析模型，從左至右分別表示初始狀態、加載階段、卸載階段。一般情況下，內管與外管接觸時，內層管已發生了較大的塑性變形，所以內管需考慮材料的應變強化，假設內層管為線彈性強化材料模型。而外管在雙金屬復合管的塑性成型中一般是控制在彈性范圍之內，或者是發生的塑性變形非常小，對于一般塑性較好的材料大都落在其屈服平臺內，因此外管可忽略材料的應變強化，可假設外管是理想彈塑性材料模型[7,8]。

圖1 塑性復合力學模型

下面利用有限元來分析壁厚對雙金屬成型的影響，為簡化問題，建模中假設：1）內外管均為均質材料；2）內外管的軸向中心線完全重合；3）忽略管材不同位置硬度的差異。模型如圖2所示。

圖2 雙金屬復合管有限元模型

2 內管壁厚對雙金屬復合管塑性成型的影響

保持外管為Φ48×3.5管材不變，內外管的初始間隙不變，不斷改變內管的壁厚，研究內管壁厚變化對雙金屬復合管殘余應力的影響。分析具有不同壁厚內管的雙金屬復合管塑性成型所需的最小脹管壓力pimin、最大脹管壓力pimax以及脹管壓力pi達到彈性極限時的殘余應力εθio*。計算中，內管以Φ40.5×0.5為基礎，逐漸擴大內管壁厚，分別計算了壁厚0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.16種壁厚的內管。

計算后發現，在脹管壓力不變的情況下，內管的殘余應力隨著內管壁厚的增加越來越小，但是在計算中發現，隨著內管壁厚的增加，復合管塑性復合時說需要的最小脹管壓力是逐漸增加的。如果脹管壓力不變，每當內管壁厚增加0.1mm，則內外管在屬性復合后內管的殘余應力便降低0.5MPa左右，但是這種變化無法觀測內管壁厚對雙金屬復合管塑性復合的影響。所以，下面從不同內管壁厚的最小脹管壓力出發，即每次均加載內管壁厚對應的最小脹管壓力，研究雙金屬復合管塑性成型后內管的殘余接觸壓力變化。有之前的有限元分析可以知道，本文所推導的理論公式是正確的，所以可直接通過理論公式計算出各種最小脹管壓力。

通過計算后得到的不同壁厚對應的最小脹管壓力如表1所示。計算出的最小脹管壓力已通過有限元計算進行了驗證，結果進行了取整。

表1 不同內管壁厚下的最小脹管壓力

內管的殘余接觸壓力隨著壁厚變化在其所對應的最小脹管壓力下的變化如圖3所示。

圖3 內管壁厚對內管殘余接觸壓力的影響

從圖3可以看出，隨著內管壁厚的增加，雙金屬復合管在塑性復合成型后，內管的殘余接觸壓力也在逐漸增加，但是增加的幅值較小，所以在允許的尺寸中，適當地增加內管壁厚更有利于復合后雙金屬復合管的使用。

3 外管壁厚對雙金屬復合管塑性成型的影響

保持內管為Φ40.5×0.5管材不變，內外管的初始間隙不變，不斷改變外管的壁厚，研究外管壁厚變化對雙金屬復合管殘余應力的影響。分析具有不同壁厚外管的雙金屬復合管塑性成型所需的最小脹管壓力pimin、最大脹管壓力pimax以及脹管壓力pi達到彈性極限時的殘余應力εθio*。計算中，外管以Φ48×3.5為基礎，逐漸變化內管壁厚，分別計算了壁厚3、4、4.5、5、5.5、6種壁厚的內管。

由于之前的理論分析沒有推導外管壁厚與脹管壓力的關系，所以在此逐漸變化脹管壓力，用有限元模型進行逐一試算，最后得到內外管殘余應力剛好為0時的脹管壓力，即外管壁厚所對應的最小脹管壓力，計算出的值如表2所示。

表2 不同外管壁厚下的最小脹管壓力

外管的殘余接觸壓力隨著壁厚變化在其所對應的最小脹管壓力下的變化如圖4所示。

圖4 內管壁厚對內管殘余接觸壓力的影響

從圖4可以看出，隨著外管壁厚的增加，雙金屬復合管在塑性復合成型后，內管的殘余接觸壓力也在逐漸增加，但是增加的幅值比內管壁厚對殘余接觸壓力的影響還小，所以在允許的尺寸中，適當地增加外管壁厚更有利于復合后雙金屬復合管的使用。

從圖3和圖4還可以看出，不論內管還是外管的壁厚增加，對應的最小脹管壓力都在增加，所以雖然殘余接觸壓力也在增加，但是不提倡采取增加內外管壁厚的方式來達到所需的內外管復合后形成的雙金屬復合管性能，應根據實際情況選取合理的內外管壁厚進行塑性成型。

4 結論

本文建立了雙金屬復合管成型的有限元模型，并通過變化內管和外管的壁厚計算了雙金屬復合管成型后的殘余應力，研究得到了以下結論：

1）隨著內管和外管壁厚的增加，雙金屬復合管在塑性復合成型后，內管的殘余接觸壓力也在逐漸增加，但是增加的幅值較小，而且內管壁厚對殘余應力的影響大于外管壁厚對殘余應力的影響，所以在考慮經濟的前提，可盡量多的選擇壁厚較大的內管。

2）隨著壁厚的增加，雙金屬復合管成型時需要的脹管壓力也在增加，這就增加了成型的成本，所以不能無限制的采取增加內外管壁厚的方式來提高雙金屬復合管的成型質量，而是應該綜合脹管壓力的因素選擇一個最佳的壁厚進行塑性成型。

[1] 於方,秦建平.雙金屬管在管道輸送中的應用[J].鋼管,2000, 29(1):34-36.

[2] 王學生.液壓脹合復合管制造裝置及復合管脹合與使用的力學分析[D].華東理工大學,2001.

[3] 俞家正.金屬復合管及制作方法和管接頭:中國,F16L9/14, 96123012.6,[P].1998.

[4] H.KriPs,M.Pohdorsky.Hyraolic Expansion—a New Method for Anchoring of Tubes[J].VGBKRAFWERKSTECHNIK,1976,(7):418-426.

[5] 竹本昌史.列管式換熱器的強度—液壓脹管接頭的拉脫禁錮力[J].壓力容器,1984,(2):68-75.

[6] 顏惠庚.換熱管液體袋式液壓脹管裝備與技術[D].華東理工大學,1998.

[7] 顏惠庚,張炳生,葛樂通,等.換熱器的液壓脹管研究(一)——脹接壓力的確定[J].壓力容器,1996,13(2):36-40.

[8] 顏惠庚,張炳生,葛樂通,等.換熱器的液壓脹管研究(二)——殘余接觸壓力與摩擦系數[J].壓力容器,1996,13(4):39-43.

Influence of bimetallic composite pipe forming efficiency for inner and outer tube wall thickness

WU Guo-ying, SHEN Li-xu, LUO Heng

TB121

：A

1009-0134(2017)01-0001-03

2016-06-02

武國營（1975 -），男，工程師，工程學士，主要從事油氣開發、生產、儲運以及相關作業的安全技術服務工作。